适用于复杂电路分析的IGBT模型

第30卷第9期中国电机工程学报Vol.30No.9Mar.25,20102010年3月25日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2010)09-0001-07中图分类号：TM85文献标志码：A学科分类号：470·40适用于复杂电路分析的IGBT模型邓夷，赵争鸣，袁立强，胡斯登，王雪松(电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市海淀区100084)IGBTModelforAnalysisofComplicatedCircuitsDENGYi,ZHAOZheng-ming,YUANLi-qiang,HUSi-deng,WANGXue-song(StateKeyLaboratoryofControlandSimulationofPowerSystemandGenerationEquipment(DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity),HaidianDistrict,Beijing100084,China)ABSTRACT:Anewinsulatedgatebipolartransistor(IGBT)modelforsimulationofcomplicatedcircuitswaspresented.Itpiecewisemodeledtheturn-onand-offtransientofIGBT,andsimulatedthestaticcharacteristicsbycurvefittingmethod.Highsimulationspeed,easyparametersdeterminationandclearphysicalmeaningareitskeyfeatures.Theequivalentcircuit,structure,andparameterextractionofthemodelweredescribed,anditwasrealizedwiththesimulationtoolofPSIMpackage.TheparametersofthemodelwereprovidedforanIGBTofFF300R12ME3asanexample.Themodelwasusedinanalysisofswitchingcharacteristics,snubbercircuit,andparalleledoperationoftheIGBT.Theaccuracyofthemodelwasverifiedbythecomparisonbetweenthesimulatedandexperimentalresults.KEYWORDS:insulatedgatebipolartransistor(IGBT);model;PSIM;switchingcharacteristic;snubbercircuit;paralleledoperation摘要：推出一种适用于复杂电路仿真分析的绝缘栅双极性晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)模型。模型分阶段模拟IGBT的开关瞬态过程，并采用曲线拟合的方式实现对IGBT稳态特性的建模。模型具有计算速度快、参数提取容易、物理概念明确的特点。描述模型的等效原理、构成和参数提取过程，并在PSIM软件包下建立其等效电路。以FF300R12ME3型IGBT为例给出了模型参数，并将模型应用于IGBT的开关特性分析、缓冲吸收电路设计以及IGBT的并联运行分析。仿真和实验结果对比证明了该模型的有效性。关键词：绝缘栅双极性晶体管；模型；PSIM；开关特性；缓冲吸收电路；并联运行基金项目：国家自然科学基金项目(50737002,50707015)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50737002,50707015).0引言绝缘栅双极性晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)集功率金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，MOSFET)和功率晶体管的输出特性于一体，具有栅极驱动功率低、工作频率高、输出电流大和通态电阻小等优点，在电力电子变换器中的应用日益普遍，受到了广泛的关注和研究[1-4]。建立实用准确的IGBT模型，对变换器的安全可靠运行和电气性能优化具有重要的指导意义。在电力电子器件的建模研究中，有2类模型被广泛采用，即物理模型和功能型模型。目前有3种较常见的物理模型：Hefner模型[5-8]，KuangSheng模型[9]和Kraus模型[10]。这类模型基于器件内部的物理机制，能比较准确地描述器件的稳态或动态特性，但也存在很大的不足：1）要求用户清楚地知道IGBT的内部结构，模型参数众多且参数值的确定较为复杂[11]，这对于一般使用器件的用户来说有一定困难；2）含有大量的复杂微分方程，模型计算量大，仿真时间长[12]，且存在计算收敛问题[11]，在复杂的多IGBT电路中，该问题尤为突出。对于IGBT的功能型模型[12-14]来说，尽管其仿真速度比物理模型大大加快了，但它们只考虑器件的外部特性，物理概念不明确，参数调整不容易，通用性较差。本文从实际应用的角度出发，提出一种新的IGBT开关瞬态和稳态模型，并在电力电子专用仿真软件PSIM中实现。该模型分阶段模拟IGBT的开关瞬态过程，并采用曲线拟合的方式实现IGBT稳态特性的建模。与物理模型相比，该模型的优点有：1）参数数量大为减少，且参数提取容易，根2中国电机工程学报第30卷据器件的数据手册和少量的实验就可以确定；2）避免了复杂的微分方程，模型计算量大大减小，仿真速度显著提高，收敛性明显改善，适合复杂电路的仿真分析。与功能型模型相比，该模型具有明确的物理概念，参数调整容易，能够方便地实现对不同IGBT的建模。文中对模型进行了实验验证，并以IGBT的开关特性分析、缓冲吸收电路设计和IGBT并联运行分析为例介绍了模型的应用，仿真和实验结果对比证明了模型的有效性。受IGBT开关动态过程时间的限制，为了准确描述IGBT的开关动态过程，本模型的仿真步长不能太大(通常以小于10ns为宜)。在仿真时间允许的情况下，仿真步长越短，仿真结果越准确。如果为了更大程度地提高仿真速度，且不用细致描述IGBT的开关瞬态过程(例如只需模拟IGBT工作时的损耗)，可以选择其他相关的、更有效的模型[15]。1IGBT的结构和瞬态稳态模型1.1IGBT的结构IGBT的结构如图1所示。与MOSFET相比，IGBT多了一层P+注入区，形成了一个基极电流由MOS栅压控制的双极性晶体管。IGBT的开关作用是：通过施加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通；反之，加反向门极电压消除沟道，使IGBT关断。与MOSFET的关断过程不同的是，由于PNP晶体管的存在，IGBT在沟道消失后载流子的消失还需要一定的复合时间，会形成相应的拖尾电流。CGGEN+N+RchP+P-BaseN-BaseP+J1J2J3IBJTIMos图1IGBT结构Fig.1StructureofIGBT1.2IGBT的开通关断瞬态模型1.2.1开通过程IGBT的极间寄生电容对其开关过程有重大的影响。在实际分析中，寄生电容影响下IGBT的开通过程可分为如图2所示的4个阶段[16]。图中，Rgint为栅极内电阻，Cgc、Cge为极间寄生电容。CgcCge(a)阶段1GCERgintCgcCge(b)阶段2IcGCERgintCgc(c)阶段3IcGCERgintCgcCge(d)阶段4RonGCERgint图2IGBT的开通过程电路模型Fig.2Turn-oninputmodelsforIGBT1）阶段1：在栅极驱动电源Ug的作用下，栅–射极电压Uge上升至开启电压Uge(th)。IGBT仍处于关断状态，端电压电流均不变化。2）阶段2：栅极被继续充电，集电极电流Ic随着Uge按一定规律增加，集–射极电压Uce因负载效应迅速减小，直至接近Uge。3）阶段3：Uce继续下降至接近通态压降；由于密勒效应，等效输入电容Cin非常大，引起栅极电压平台的出现，栅极电流几乎全部注入Cgc。4）阶段4：Uce下降到通态压降并基本不变，密勒效应消失，IGBT处于导通状态；驱动电源Ug继续对栅极充电。若以栅极电压Uge为分析对象，则图2的4个阶段均可等效为驱动电压Ug经栅极回路电阻Rg和栅极回路电感Lg对该阶段等效输入电容Cin充电，即Uge满足：2gegegingingegh2ddddUULCRCUUtt++=(1)式中：Ugh为Ug高电平；Rg为栅极回路电阻，Rg=Rgon+Rgint，Rgint为栅极内电阻，Rgon为栅极充电外接电阻；Lg为栅极回路电感；等效输入电容Cin为ggegcgeceingegedd(dd)ddgeQCUCUUCUU+−===cegegcged(1)dUCCU+−(2)在开通过程中，各极间寄生电容会有较大的变化，由此会带来Cin的较大变化。但对于图2的每个阶段来说，Cin的变化范围不大，计算中可以对其分段线性化处理[17]。由式(1)可得到各阶段栅–射极电压Uge的变化规律。第9期邓夷等：适用于复杂电路分析的IGBT模型31）若Rg2Cin4Lg，则0gin1020()/()gh0gge()()12gh()e,0ee,0ttRCgttttgUUULUkkULλλ−−−−+−==++≠⎧⎪⎨⎪⎩(3)式中：U0为该阶段的栅极初始电压；t0为该阶段初始时间，且2ginging1ggin2ginging2ggin1022120g112()422()422()/()()/()ERCLCRLLCRCLCRLLCkUUkUUλλλλλλλλ⎧−⎪=−+⎪⎪⎪−⎨=−−⎪⎪=−−⎪⎪=−−⎩(4)2）若Rg2Cin=4Lg，则00()()ge120ghe()ettttUmmttUλλ−−=+−+(5)式中：gg10212RLmUUmmλλ⎧=−⎪⎪⎨=−⎪⎪=−⎩(6)3）若Rg2Cin4Lg，则10()ge120ecos()ttUnttωω−=−+10()220ghesin()ttnttUωω−−+(7)式中：10g210g21gg22gingingin()//(2)4()/(2)nUUnUURLLCRCLCωωωω=−⎧⎪=−−⎪⎪⎨=−⎪⎪=−⎪⎩(8)由式(7)可以看出，当栅极充电电阻Rg选得太小(Rg2Cin4Lg)时，可能会引起栅极回路震荡，不利于器件的安全稳定运行。这符合文献[18]的描述。为了器件的安全运行，Rg应选得合适。在开通过程(阶段2、3)中，集电极电流Ic与Uge的关系满足器件的转移特性。该特性可以通过器件数据手册或实验获得，并用二次函数来近似，即满足Ic=a(Uge−Uge(th))2+b(Uge−Uge(th))(9)式中a、b为相应的系数，可由昀小二乘拟合得到。1.2.2关断过程IGBT的关断过程与开通过程相反，也分为4个阶段，具体过程如图2所示。与开通过程的分析类似，此时各阶段的栅极电压Uge满足：2gegegingingegl2ddddUULCRCUUtt++=(10)式中Ugl为驱动电压低电平。该方程的解答与式(1)类似。与开通过程不同的是，关断过程的第4阶段(对应于图2的阶段1)，当Uge降到开启电压Uge(th)以下时，IGBT阳极电流Ic不会立即消失，而是会以拖尾电流的形式逐渐变为0。拖尾电流是由IGBT的制造工艺和运行条件决定的[19]，在计算中，可以用指数函数进行模拟[18]。0()/cc(on)ettIIτα−−=(11)式中：α为图1中PNP晶体管的电流放大系数；Ic(on)为IGBT的通态电